據(jù)外媒報道,美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室的伯克利實驗室激光加速器(BELLA)中心已經(jīng)開發(fā)并測試了一個創(chuàng)新的光學(xué)系統(tǒng),以前所未有的精度精確測量和控制高功率激光束的位置和指向角度--而不會中斷或干擾激光束。這個新系統(tǒng)將幫助整個科學(xué)界的用戶最大限度地利用高功率激光器。
這項實驗驗證工作由伯克利實驗室和加州大學(xué)伯克利分校的博士生Fumika Isono領(lǐng)導(dǎo)。她的研究結(jié)果在劍橋大學(xué)出版社期刊《高功率激光科學(xué)與工程》最近發(fā)表的一篇論文中有所描述。
伯克利實驗室加速器技術(shù)和應(yīng)用物理部(ATAP)主任Cameron Geddes說:“這是測量和控制方面的一個巨大進步,將使全世界的高功率激光設(shè)施受益。”BELLA中心是該部門的一部分。
無干擾的測量
一些有苛刻應(yīng)用要求的用戶知道,激光束在極小的范圍內(nèi)移動,以響應(yīng)即使是最受控的實驗室環(huán)境的振動和變化性。Isono說:“錯過目標只要幾微米,就可以使驚人的科學(xué)和背景噪音的不必要的補充之間產(chǎn)生差異。”微小的指向性偏移也會導(dǎo)致不必要的復(fù)雜情況。這就是診斷傳感器和反饋系統(tǒng)發(fā)揮作用的地方。
在不攔截光束的情況下準確地測量這些參數(shù)是關(guān)鍵所在。傳統(tǒng)的方法要么是通過攔截光束的脈沖來大大降低光束的功率(這對于高強度、高功率的光束來說是很困難的),要么是由于沒有準確地測量所傳遞的光束而出現(xiàn)誤差。BELLA中心的創(chuàng)新方法包括分割和監(jiān)測主光束的低功率精確副本,該副本從光束線中一個特別設(shè)計的最終光學(xué)元件的后表面反射出來。
這種新方法的核心是一個具有三個關(guān)鍵屬性的激光架構(gòu)。首先,它每秒同時提供五個高功率脈沖和一千個低功率脈沖,所有這些脈沖都遵循相同的路徑。其次,光束線的設(shè)計經(jīng)過優(yōu)化,使高功率脈沖和低功率脈沖的大小和發(fā)散度相匹配。最后,它用一個創(chuàng)新的楔形反射鏡取代了其中一個反射光束線鏡,該反射鏡的前表面和后表面都有特殊涂層。
幾乎所有的主光束都從光學(xué)元件的前表面反射出來,而不會受到其他明顯的影響。一小部分光束(可能占輸入功率的1%)通過前表面?zhèn)鞑ゲ暮蟊砻娣瓷涑鋈?。這個"見證光束"幾乎與主光束平行地通過任何后續(xù)的光學(xué)器件,并有足夠的分流以方便測量儀器的放置。最終的結(jié)果是,見證光束的指向角度和橫向位置與主光束高度相關(guān)。
Isono說,其結(jié)果是 “一個不會干擾主激光束的測量,但又非常準確地告訴我們它的情況”。
對BELLA中心和其他地方的好處
研究人員一個近期的目標是將這種診斷方法作為反饋系統(tǒng)的一部分,用于主動穩(wěn)定激光的橫向位置和指向角度。在BELLA中心用100 terawatt的激光器進行的初步研究是有希望的。該手稿闡述了通過主動穩(wěn)定低功率1 kHz的激光脈沖序列來消除高功率5 Hz 激光器的抖動的前景。 觀察到激光束的振動和運動發(fā)生在幾十赫茲的規(guī)模上,這完全在實用反饋系統(tǒng)的范圍內(nèi)。預(yù)計高功率激光脈沖傳輸?shù)奈恢煤徒嵌葧形灞兜母纳啤?/p>
激光等離子體粒子加速器(LPAs)的開發(fā)是BELLA中心的主要任務(wù),它體現(xiàn)了這種創(chuàng)新的潛在好處。LPAs產(chǎn)生超高的電場,可以非常迅速地加速帶電粒子,從而為下一代更緊湊、更實惠的加速器提供了希望,可用于各種應(yīng)用。由于LPA是在一個薄的空心管或“毛細管”內(nèi)進行加速,它們將大大受益于對驅(qū)動激光束位置和指向角度的改進控制。
BELLA中心的一個直接應(yīng)用是使用激光驅(qū)動的等離子體加速器為自由電子激光器(FEL)提供電子束--該設(shè)備可產(chǎn)生比可見光能量高得多、波長短得多的明亮光子脈沖。
Isono說:“波蕩器,即位于FEL核心的磁陣,對電子束的接受有非常嚴格的要求,這直接關(guān)系到LPA驅(qū)動激光的指向角度和橫向波動?!?/p>
擬議中的kBELLA是下一代激光系統(tǒng),它將結(jié)合高功率和千赫茲重復(fù)率,將是另一個可能的應(yīng)用?!斑@項工作并不局限于激光等離子體加速,”BELLA中心主任Eric Esarey說。“它解決了整個高功率激光界的一個具體需求,即證明高功率脈沖的相關(guān)低功率拷貝,而沒有明顯的干擾。在任何需要將高功率激光束以一定的精度傳遞到任何應(yīng)用的地方,這個診斷器都會帶來很大的變化。想想激光粒子碰撞實驗,或激光與微米級精度目標的相互作用?!?/p>
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